خانه / دانش و مهارت / الکترونیک / ترانزیستور چیست و چگونه کار می کند ؟ (قسمت سوم)

ترانزیستور چیست و چگونه کار می کند ؟ (قسمت سوم)

با ساختنی همراه هستید با قسمت سوم مقاله ترانزیستور ها چگونه کار می کنند. در قسمت اول مقاله ترانزیستور ها سعی کردیم به شکلی ساده ترانزیستور را به شما توضیح دهیم و برای شما داستانی کوتاه از تولد ترانزیستور تعریف کردیم. در قسمت دوم مقاله ترانزیستور ها شما را انواع نیمه هادی ها و پیوند گاه های p-n ،دیود ها ، انواع ترانزیستور ها و همچنین روش کار ترانزیستور های دو قطبی (BJT) آشنا نمودیم .

در قسمت سوم و آخر مقاله ترانزیستور ها چگونه کار می کنند ، شما را با آخرین دسته بزرگ از ترانزیستور ها یعنی FET ها آشنا خواهیم کرد و سپس با زبان ساده به شما توضیح خواهیم داد که اساس کار همه کامپیوتر های جهان چیست و نقش ترانزیستور ها در این میان چیست؟

ترانزیستور های اثر میدان (FET) چگونه کار می کنند ؟

باید یادآوری کنیم که از لحاظ نظری ، همه ترانزیستور ها در واقع با کنترل حرکت الکترون ها کار می کنند. ولی روش های کنترل کردن الکترون ها متفاوت است . مانند ترانزیستورهای دوقطبی پیوندی،ترانزیستور های اثر میدان (Field Effect Transistor) سه پایه جداگانه دارند. اما نام گذاری آن ها با ترانزیستور های دوقطبی متفاوت است ، سورس (Source) که نظیر پایه امیتر (Emitter) در ترانزیستور های دوقطبی است . درین (Drain) که نظیر کالکتور (Collector) و گیت (Gate) که نظیر پایه بیس است. در یک ترانزیستور FET ، لایه های نیمه هادی نوع n و نوع p به شکلی اندکی متفاوت با ترانزیستور های دو قطبی چیده می شوند و لایه ای از فلز و اکسید فلز روی آن ها را پوشانده است. و این چینش باعث تولید قطعه ای به نام ترانزیستور MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) شده است .

ساختار یک ترانزیستور اثر میدان FET
ساختار یک ترانزیستور اثر میدان FET

با این که در پایه درین و سورس ترانزیستور های FET نیمه هادی نوع n قرار دارد که دارای “الکترون اضافی” هستند (در قسمت دوم مقاله آشنایی با طرز کار ترانزیستور اشاره کردیم که الکترون اضافی به چه معناست) ، اما این الکترون ها نمی توانند آزادانه میان این دو قسمت حرکت کنند. زیرا حفره های موجود در نیمه هادی نوع p میان آن ها ، از این کار جلوگیری می کند. جالب است بدانید امروزه نیمه هادی ها از جنس پلیمر تولید شده اند که خواصی بهتر از سیلیکون دارند !

در ساختنی بخوانید :  ست چهار پایه کودک با طرح پازل بسازید
در ترانزستور های اثر میدان اکترون ها به وسیله میدان اکتریکی از سورس به درین کشیده می شوند.
در ترانزیستور های اثر میدان اکترون ها به وسیله میدان اکتریکی از سورس به درین کشیده می شوند.

با این حال ، اگر یک ولتاژ مثبت کافی به پایه گیت یک ترانزیستور FET متصل شود . یک میدان الکتریکی ایجاد خواهد شد که باعث خواهد شد الکترون ها از سورس به سمت درین کشیده شوند. این جریان که به وسیله “اثر میدان الکتریکی” ایجاد می شود ، ترانزیستور را روشن می کند.فلسفه نام گذاری این نوع ترانزیستور ها هم همین اثر میدان الکتریکی است.

از لحاظ قطب ، ما می توانیم ترانزیستور های MOSFET را بر خلاف ترانزیستور های دو قطبی ، ترانزیستور تک قطبی بنامیم ، زیرا تنها یک نوع قطبش یا پلاریته (Polarity) بار الکتریکی در روشن شدنش دخیل است .

ترانزیستور ها چگونه در محاسبات و رایانه های امروزی به ما کمک می کنند ؟

در عمل ، شما هیچ نیازی به داشتن اطلاعات در مورد الکترون ها و حفره ها و تئوری های مختلف فیزیک الکترونیک ندارید تا بتوانید با رایانه کار کنید . مگر این که شغلتان طراحی و ساخت IC یا همان مدار مجتمع باشد ! تنها چیزی که لازم است بدانید نکته ای است که در ابتداری قسمت اول مقاله چگونگی کار ترانزیستور ها به آن اشاره شد :

ما می توانیم ترانزیستور ها را به دو شکل ببینیم . یا به شکل تقویت کننده و یا به شکل یک کلید

دادن یک جریان کوچک و گرفتن یک جریان بزرگ (تقویت) ، یا دادن یک جریان کوچک به عنوان دستور و باز شدن راه برای عبور یک جریان بزرگ (کلید یا سوییچ) . اما پاسخ یک سوال هست که دانستنش برای ما مفید است :

کامپیوتر ها چگونه این همه داده را ذخیره می کنند و این همه محاسبه را انجام می دهند ؟

قطعه ای از یک چیپ زیر میکروسکوپ الکترونیکی
مدار یک چیپ زیر میکروسکوپ الکترونیکی ، این قطعات کوچک میکرونی در واقع ترانزیستورFET هستند!

ما می توانیم تعدادی ترانزیستور را که هر کدام می توانند خاموش و روشن شوند را در کنار هم چیده و یک دروازه یا گیت منطقی (Logic Gate) بسازیم . این گیت ها چند مقدار جریان ورودی را می گیرند و یک خروجی به ما نشان می دهند. همین گیت های منتطفی هستند که با کامپیوتر ها این امکان را می دهند که از این تکنیک ریاضیاتی به نام جبر بولی (Boolean Algebra) استفاده کنند. جالب است بدانید مغز شما هم از همین تکنیک استفاده می کند.مغز شما ورودی هایی (چیزهایی که می دانید) در مورد وضعیت هوا یا چه چیزی در کمد راهروی خودتان دارید را گرفته تصمیم می گیرد که :

اگر باران می آید “و” من چتر دارم،پس مشکلی نیست که بیرون بروم .

جمله بالا مثالی از عملگر “و” (AND) در جبر بولی بود . شما با استفاده از گیت های منطقی دیگر می توانید تصمیمات مختلفی بگیرید . برای مثال :

اگر باد می وزد “یا” برف می آید ، من کاپشن خواهم پوشید.

این هم یک مثال از عملگر “یا” (OR) بود.

در ساختنی بخوانید :  تاثیر ماه بر میزان بارش باران در کره زمین

حالا بیاید این دو را با هم ترکیب کنیم :

اگر باران می آید “و” من چتر “یا” کاپشن  داشته باشم ، می توانم به بیرون از خانه بروم .

عملگر های دیگری مانند NOR ، NOT ، NAND و … هم وجود دارند که به آن ها اشاره نمی کنیم تا موضوع برایتان پیچیده نشود.

کامپیوتر ها می توانند صفر و یک ها یا همان ترانزیستور های خاموش و روشن را با هم دیگر مقایسه کنند و با استفاده از این گیت های منطقی این صفر و یک ها (دو دویی ها یا باینری ها) را با هم ترکیب کنند.

بله ، ترانزیستور ها و خاموش و روشن شدن آن ها سنگ بنای رایانه ها و برنامه های رایانه ای است !

یک برنامه کامپیوتری یک رشته از دستورات منطقی است که پردازنده مرکزی کامپیوتر (CPU) بر اساس آن ها کارهای مختلفی انجام می دهد.

واقعا عجیب است وقتی فکر می کنید ساختنی که هم اکنون در حال دیدنش هستید. یا بازی های رایانه ای ، یا برنامه های پخش صوت و تصویر ، همه و همه، همین رشته دستوراتی هستند که پردازنده رایانه بی وقفه در حال انجام دادنشان است !

حافظه کامپیوتر ها چگونه کار می کند ؟

همان طور که گفتیم ، در حالت عادی ، وقتی یک ترانزیستور دوقطبی خاموش است که جریانی در پایه بیس جریان نداشته باشد و وقتی روشن است که این جریان برقرار شود. حالا به این فکر کنید که خروجی یک ترانزیستور را به ورودی است وصل کنیم ! یعنی پایه امیتر یا کالکتور را به بیس متصل کنیم . با این کار بارخورد یا فیدبک (Feedback) می گویند .

در ساختنی بخوانید :  ویدیو : مسیر حرکت ماهواره های ناسا اطراف زمین را ببینید

حالا وقتی ترانزیستور را روشن کنید ، قسمتی از جریان بزرگ از طریق اتصال شما به بیس می رود و جریان آن را تامین می کند و ترانزیستور را روشن نگه می دارد. حتی اگر شما جریان اولیه بیس را قطع کنید. ترانزیستور روشن باقی خواهد ماند.

حالا اگر جریانی در جهت مخالف به بیس ترانزیستوری که با استفاده از فیدبک روشن مانده است وارد کنید. ترانزیستور دوباره خاموش می شود و خاموش می ماند.

با این شرایط شما توانسته اید کلیدی بسازید که آن را یک بار روشن کنید و نیازی نباشد که تا ابد آن را به شکل دستی روشن نگه دارید . به این قطعه که شما ساختید فلیپ فلاپ (Flip Flop) می گویند. یک لحظه صبر کنید !!

اگر دقت کنید می بینید فلیپ فلاپ در واقع یک حافظه است که می تواند صفر و یک را در خود ذخیره کند ! صفر وقتی در حالت خاموش است و یک وقتی در حالت روشن مانده است .

در واقع فلیپ فلاپ ها آجر های کوچک تکنولوژی ذخیره سازی اطلاعات در رایانه ها هستند !

منبع – با تغییرات از تیم ساختنی

خلاصه مطلب
ترانزیستور چیست و چگونه کار می کند ؟ (قسمت سوم)
عنوان مطلب
ترانزیستور چیست و چگونه کار می کند ؟ (قسمت سوم)
توضیح کوتاه
در این پست با روش کار و نیز روش ساخت ترانزیستور های FET، کامپیوتر و حافظه های کامپیوتری آشنا خواهید شد.

بیشتر بخوانید:

چطور کامپیوتر ها نحوه نگرش ما به زندگی را تغییر می دهند... تصور کنید در سال 1950 و صاحب یکی از اولین کامپیوتر های الکترونیکی دنیا هستید. یک شرکت با شما تماس می گیرد و می گوید: " ما 10 میلیون لغت فرانسوی داریم ...
پردازش اطلاعات با کامپیوتر های DNA کامپیوترهای آلی ساخته شده از DNA می توانند داده ها را درون بدن ما پردازش کنند. ما همواره دستگاه های الکترونیکی را ساخته شده از تراشه های سیلیکونی فرض ...
آدم مکانیکی های 240 ساله، اجداد کامپیوتر امروزی !... شاید باورش برایتان سخت باشد، اما آن چه در این تصاویر می بینید در واقع یک ماشین خودکار و قابل برنامه ریزی است که می ‏تواند حروف و کلمات را با قلم پر بن...
11 ابداع بشر که تاریخ را عوض کرد چه اولین استفاده انسان های اولیه از آتش یا تولد شاتل فضایی باشد، ابداعات همیشه بزرگ ترین پیش برنده موفقیت انسان ها در تاریخ بوده اند. بعضی از ا...
پلیمر ها،عضو جدید خانواده شبه فلزها ! اگر امروز به یک شیمی دان بگویید که شبه فلزها را نام ببرد،احتمالا حتی به فکرش هم خطور نخواهد کرد که پلیمر ها هم بتوانند در خانواده شبه فلز ها قرار بگیر...
قدرتی هزاران برابر کامپیوتر های ناسا در دستان ما... تلفن همراه شما هزار بار قوی تر از تمام قدرت محاسباتی ناسا در سال 1969 است. مهندسان ناسا در حال کار بر روی ابرکامپیوتر IBM System/360 Model 75s ...

درباره مهرداد جمالی

مهرداد جمالی
مهرداد جمالی ، متولد 1367 ، دانش آموخته رشته لیسانس مهندسی مخابرات دانشگاه ملی زنجان و دانشجوی ارشد مدیریت صنعتی است. وی بنیان گذار اصلی پروژه ساختنی و یکی از مدیران ارشد وبسایت است.

پیشنهاد می کنیم

این آدم مکانیکی 240 ساله "نویسنده" نام دارد و ویژگی اتوماتیک و قابل برنامه ریزی بودنش، آن را در رده اجداد کامپیوتر های امروزی قرار می دهد.

آدم مکانیکی های 240 ساله، اجداد کامپیوتر امروزی !

شاید باورش برایتان سخت باشد، اما آن چه در این تصاویر می بینید در واقع …

یک دیدگاه

  1. ممنونم از سایت قشنگتون و آموزشهاتون…فوق العاده عالی.مررررررررسی

پاسخ دهید